在極端條件下工作的真空兼容電機

Maxon 電機公司和儀器設(shè)計技術(shù)公司(IDT)特別研制了一種用于同步加速器的極端真空環(huán)境中的小型無刷電動機，如圖3 所示。

圖3 真空無刷電動機及內(nèi)部圖

牛津大學的鉆石光源粒子加速器已經(jīng)廣泛用于各種項目，例如分析機翼的張力效果、研究艾滋病毒的特性，甚至是閱讀未打開的古老的信件。為避免電子和大氣分子相撞，整個實驗過程在真空中進行，其壓力低于大氣壓的10 億倍，因此需要研發(fā)出可在惡劣環(huán)境下正常工作的設(shè)備。

粒子加速器光束線的雙重晶體單色器要求使用直流電動機而不是步進電動機來驅(qū)動關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)軸。相比以前使用的步進電動機，目標是實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速、更低的電機溫度和更平穩(wěn)的動力傳動系統(tǒng)。步進電動機本身就有噪聲，還有一些振動。采用直流電動機，可以消除或改善這些問題。但是新電機必須要在1.33 ×10-6Pa 的真空環(huán)境中運行。

Maxon 公司為其定制的電機基于EC22 電機開發(fā)。盡管這個22 mm 的無刷電動機最初應用在探測海底石油的設(shè)備上，但是它采用激光焊接的不銹鋼結(jié)構(gòu)和寬溫度范圍已經(jīng)符合了高真空應用的部分要求，而且無刷直流電動機要比以前的步進電動機更有效率、更安靜，反應更快。

開發(fā)時對以下一些問題進行了考慮。首先是對溫度的管理。在真空中，電機不能以正常的方式通過傳遞散熱，所以有可能導致過熱，因而選擇耐高溫的電機，在空氣中保持其內(nèi)在的額定性能就非常重要。另外，在可能的情況下以某種方式安置其他的部件來傳導散熱。高比率的齒輪頭也是同樣重要的。1.33 ×10-5Pa 以下的高真空會使如塑料和膠水等材料氣化，降低了性能，又污染了真空，帶來除氣問題。

電機的每個部件都單獨進行測試，必要部件進行升級。例如，標準的PVC 電纜涂料升級為更惰性的卡普頓版本。所以EC22 重載電機不用塑料而用不銹鋼材料制成。考慮到除氣問題，科研人員不能使用普通的膠水和環(huán)氧樹脂，而是用大范圍的微型激光焊接技術(shù)裝配電機。Maxon 公司有和太空和航天項目合作的經(jīng)驗，知道在低氣壓環(huán)境下，電機軸承上要使用何種標準、稠薄的潤滑脂。選擇一種極其惰性的潤滑劑非常重要，因為這種潤滑劑有足夠的厚度來防止其在高真空的環(huán)境下蒸發(fā)——這可用來解釋電機運行特性及其預期的壽命周期。電機要在120℃的真空環(huán)境下烘制24 h，以最終避免任何遺留的除氣威脅問題。